JP2004509436A - イオン注入用のファラデーシステム - Google Patents

Abstract

イオン注入器またはイオンビーム処理システムにおいて，イオンビーム電流を測定するファラデーシステムは，イオンビームを受け入れる入口開口をもつチェンバーを画成するファラデーカップ体，チェンバーからの電子の逃げを防止するための電場を発生させるための，入口開口の近傍に位置する抑制電極，およびチェンバーからの電子の逃げを防止するための磁場を発生させるために配置された磁石組立体を含む。チェンバーの奥行きの，入口開口の幅に対する比は比較的小さい。

Description

【０００１】
関連出願
本出は，ここで参考文献として組み込まれる，２０００年９月１５日付け米国仮出願第６０／２３３，００７号に関連する。
【０００２】
発明の分野
本発明は，半導体ウエハのようなワークピースのイオン注入用のシステムに関し，特に，イオン注入システム，その他イオンビーム処理システムでのイオン電流を測定するファラデーシステムに関する。
【０００３】
発明の背景
イオン注入は，半導体ウエアに電気伝導性を変える不純物を導入する標準的な技術である。所望の不純物がイオン源でイオン化され，イオンは所期のエネルギーをもつイオンビームを形成するために加速され，イオンビームはウエハの表面に向けられる。イオンビーム中のエネルギーをもつイオンは半導体材料のバルク内に侵入し，半導体材料の結晶格子内に埋め込まれ，所望の伝導性の領域を形成する。
【０００４】
イオン注入システムは通常，ガスまたは固体物質を，よく画成されたイオンビームに変換するためのイオン源を含む。イオンビームは不所望のイオン種を除去するために質量分析され，所望のエネルギーに加速され，ターゲット面に向けられる。ビームの走査，ターゲットの移動により，またはビームの走査とターゲットの移動の組み合わせにより，ビームをターゲット領域にわたって分布させる。
【０００５】
イオン注入システムの動作において，通常，半導体ウエハに注入された蓄積イオン，およびウエハの表面領域にわたってドーズ量の一様性を測定することが必要である。典型的に，イオン注入はイオン種，イオンエネルギーおよびイオンドーズ量に関して特定される。イオンソースが典型的に，正確で，一定のイオンビーム電流を与えないことから，イオンドーズ量の測定は，イオン注入中，少なくともときどきは必要となる。半導体製造プロセスは典型的に，１％以内のドーズ量の精度を要求する。
【０００６】
蓄積したイオンドーズ量は典型的に，ターゲットウエハの近傍に配置された，ファラデーカップ，すなわちドーズ量測定カップを使用して測定されている。たとえば，ファラデーカップを半導体ウエハに隣接して配置してもよく，イオンビームをイオン注入の間，ときどきファラデーカップに向けてもよい。ファラデーカップはイオンビームを受け入れるための入口開口をもつ電気伝導性カップである。イオンビームはファラデーカップ内で，イオンビーム電流を示す電流を生成する。その電流は，電気的ドーズ量プロセッサ（これは，蓄積イオンドーズ量を決定するために，時間に関して電流を集積する。）に与えられる。ドーズ量プロセッサは，イオン注入器を制御するために使用されるフィードバックループの一部となってもよい。たとえば，イオン注入は，所定のドーズ量に達したとき終了する。イオン注入器におけるドーズ量およびドーズ量の一様性を測定するための，ファラデーカップの使用は，たとえば，Ｂｅｒｒｉａｎ等の，１９９０年５月１日に発行した米国特許第４，９２２，１０６号，およびＢｅｒｒｉａｎ等の１９９０年１２月２５日に発行した米国特許第４，９８０，５６２号に記述されている。
【０００７】
イオンビーム中の，エネルギーをもったイオンがファラデーカップに入り，ファラデーカップ内の表面に衝突すると，多くの物理的なプロセスが生じる。これらプロセスは，イオン散乱，二次粒子の放出（電子，イオン，中性粒子，光子），表面散乱，三次電子（カップ体の壁に衝突する二次粒子により生じる）の発生を含む。二次および三次電子の一部が，入口開口を通って，ファラデーカップから逃げることがある。ファラデーカップからの電子の逃げは測定エラーとなる。
【０００８】
ファラデーシステムからの電子の逃げを防止する一つのアプローチは，ファラデーカップの入口に静電抑制電極を配置して，使用することである。静電抑制電極を負に帯電することにより，電子がファラデーカップより逃げることを防止できる。静電抑制電極をもつファラデーケージが，Ｆｏｒｎｅｒｉｓ等による，１９７９年１月１６日に発行された米国特許第４，１３５，０９７号に開示されている。この米国特許第４，１３５，０９７号は，一対の磁石が電子抑制のために使用される他の構成を開示する。磁気的に抑制するファラデーシステムは，Ｍａｃｋ等による，１９９８年５月２６日に発行された第５，７５７，０１８号に開示されている。電子の逃げを防止する従来技術の他のアプローチでは，ファラデーカップの奥行きは，その入口開口の幅と比較して大きく作られ，その結果ファラデーカップの底で発生した電子は，入口開口を通して逃げる確率を比較的小さくする。
【０００９】
イオン注入は典型的に広範囲なエネルギー範囲にわたって動作することが要求される。特に，イオン注入器では，浅い接合および非常に浅い接合のためのプロセス条件のため，低いエネルギーで動作するようにとの要求が強まっている。低エネルギーでは，イオンビームの直径は，周知の空間電荷効果のために，顕著に大きくなる。低エネルギーで，ドーズ量を正確に測定するため，大きな入口開口をもつファラデーカップがしたがって，必要となっている。イオン注入器での空間条件がファラデーカップの奥行きの対応した増加を妨げることから，ファラデーカップはカップの奥行きと比較して，比較的大きな入口開口をもつことになる。このことは二次電子の逃げの問題を悪化させ，測定の精度の悪化をもたらす。
【００１０】
したがって，イオンビーム電流（特に低いエネルギー）を測定する改良された方法および装置の必要性がある。
【００１１】
要約
本発明の態様にしたがって，ファラデーシステムが，イオンビーム処理システムにおいて使用される。そのファラデーシステムは，イオンビームを受け入れるための入口開口をもつチェンバーを画成するファラデーカップ体，チェンバーからの電子の逃げを防止するための電場を形成するために，入口開口の近傍に配置される抑制電極，およびチェンバーからの電子の逃げを防止するための磁場を形成するために配置される磁石組立体を含む。
【００１２】
一実施例において，チェンバー奥行きの，入口開口の幅に対する比は，２．０よりも小さい。他の実施例において，チェンバーの奥行きの，入口開口の幅に対する比は，１．０よりも小さい。
【００１３】
磁石組立体は，ファラデーカップ体の両側に配置される第一および第二の磁石を含むことができる。
【００１４】
抑制電極は入口開口のまわりに配置される抑制リングを含むことができる。抑制リングは入口開口よりも大きな幅をもつ開口をもつことができる。抑制リングは，抑制リングの開口にむかって傾斜してもよい。ファラデーシステムは，抑制リングを，ファラデーカップ体に対して抑制電圧でバイアスするための抑制電源をさらに有してもよい。
【００１５】
他の実施例において，ファラデーカップ体の内面の全部または一部が，比較的低い電子放出となる材料でコートされる。一例において，ファラデーカップ体の内面はカーボンコートされている。他の実施例において，ファラデーカップ体はグラファイトから作られる。
【００１６】
他の実施例において，ファラデーカップ体は，入口開口に向いた格子状孔を含む。格子状孔は，入口開口の反対側で，ファラデーカップの底に位置してもよい。
【００１７】
詳細な説明
本発明にしたがったファラデーシステムを組み込むイオン注入器の，単純化した略示図が図１に示されている。イオンビーム発生器１０がイオンビーム１２を，ワークピース，典型的には半導体ウエハ１４に向けられる。ウエハ１４はエンドステーション（図示せず）のプラテン２２（イオン注入のために，ウエハをシステムにロードし，イオン注入に続いて，ウエハをシステムにアンロードするためのウエハ取り扱い装置を含むことができる）に取り付けられる。
【００１８】
イオンビーム発生器１０は典型的にイオン源（よく画成されたイオンビームを形成するための電極，イオンビームから不所望の種を除去する質量分析装置，およびイオンビーム中のイオンを所望のエネルギーに加速するための加速器を含む）を含む。イオンビーム発生器１０は，イオンビームの焦点を合わせるためのイオン光学要素，および一つ以上の方向にビームを走査するビーム走査器を含んでもよい。
【００１９】
種々の異なるイオン注入器の構成が当業者には知られている。ウエハ１４は適切なウエハ支持デバイス上に取り付けることができる。イオンビーム１２はビームの走査により，ウエア１４の機械的な移動により，またはビーム走査とウエハの移動の組み合わせにより，ウエハ表面全体にわたって分布され得る。イオン原とウエハ１４との間の全領域はイオン注入の動作中排気される。
【００２０】
ファラデーシステム２０がビーム１２の電流を測定するために使用される。図１の例では，ファラデーシステム２０はイオンビーム電流の測定のために，イオン注入の前またはその後で，イオンビーム１２の経路へと移動する。ファラデーシステム２０は固定されても，また移動可能でもよい。ファラデーシステムは，走査されたイオンビームまたはリボン状イオンビームの一様性を測定する，連続してまたは次第に移動させてもよい。他の実施例において，ファラデーシステムは，イオンビーム電流を測定するために，走査されないイオンビームの経路へと移動する。さらに他の例では，イオンビーム１２が半導体ウエハ１４のイオン注入の間に，ときどきファラデーシステム２０へ偏向させる。
【００２１】
ファラデーシステム２０はイオンビーム１２を受け入れるために，チェンバー３２を画成するファラデーカップ体３０を含む。ファラデーカップ体３０は電気伝導性をもち，端部壁３０ａ，側壁３０ｂおよび開放壁３０ｃを含む。一例として，ファラデーカップ体３０はアルミニウムから作られ，ほぼ矩形の形状をもつ。ファラデーシステム２０はさらに，ファラデーカップ体３０を覆うハウジング４０を含んでもよい。ハウジング４０はチェンバー３２の入口開口４４を画成する開口をもつ正面プレート４２を含んでもよい。他の実施例において，入口開口はファラデーカップ体３０により画成される。ファラデーシステム２０は，入口開口４４の近傍に配置される抑制電極５０，およびチェンバー３２からの電子の逃げを防止するために，チェンバー３２に磁場を形成する磁石組立体５４を，さらに含んでもよい。
【００２２】
ファラデーカップ体３０はドーズ量プロセッサ７０に接続されてもよい。ドーズ量プロセッサ７０は，ファラデーシステム２０から，入口開口４４を通過して受け取るイオンビーム電流を示す電流を受け入れる。従来より知られているように，ドーズ量プロセッサ７０は，半導体ウエハ１４に注入された全イオンドーズ量を決定するために，時間に関して電流を積分する。ドーズ量プロセッサ７０はイオンビーム発生器１０を制御するために使用することができる。一例として，走査波形は所望のドーズ量の一様性を達成するために調整することができる。他の例として，ウエハ１４のイオン注入は，所定のイオンドーズ量に達したとき，終了する。一例として，ドーズ量プロセッサ７０は，注入されたウエハのドーズ量およびドーズ量の一様性を制御するために，プログラムされた汎用性コンピュータのように動作する。他の実施例においては，ドーズ量プロセッサ７０は，ドーズ量測定および制御のために，部分的に，または全面的に機能を果たす特定の目的の制御器または局所制御器であってもよい。
【００２３】
上記のように，ファラデーカップ体３０はドーズ量プロセッサに電気的に接続されているが，カップ体３０を所望の電位にバイアスするファラデーバイアス源７２に接続されてもよい。ハウジング４０は好適に，ゼロ電位のような基準電位に接続され，ファラデーカップ体３０から電気的絶縁されている。抑制電位５０はバイアス電圧を抑制電極５０に与えるために，抑制電源７４に接続されてもよい。典型的に，抑制電極５０はファラデーカップ体３０に関して負にバイアスされる。抑制電極５０はファラデーカップ体３およびハウジング４０から電気的に絶縁されている。
【００２４】
上記のように，イオン注入器は典型的に，いろいろに異なるイオン種，イオンエネルギーおよびイオン電流で動作することが要求される。イオン注入器は，たとえば，１０ｋｅＶから３ＭｅＶのような広範囲のエネルギーにわたって動作することが要求される。この範囲の動作条件にわたって，イオンビームの断面寸法は広く変化する。特に，低エネルギーでは，イオンビームは比較的大きな断面寸法をもつことができる。その範囲の動作条件にわたって，イオンビーム電流の正確な測定のために，イオンビームのすべてまたはほとんどは，ファラデーシステム２０により遮られなければならない。したがって，チェンバー３２に入口開口４４の幅Ｗは最も大きいと予想されるイオンビームを十分に通過させることができなければならない。一例として，１０ｋｅＶから２ＭｅＶの範囲にわたるエネルギーをもつイオンビームを受け入れるためには，２．０１０インチ×２．３８５インチ（５．１０５ｃｍ×６．０５８ｃｍ）の寸法をもつ。イオンビームの一部がファラデーシステム２０により遮られないと，測定されたビーム電流は，ウエハに至った正確な電流よりも小さくなり，ウエハには過剰なドーズ量となる。
【００２５】
エネルギーをもったイオンがファラデーカップ体３０に入り，ファラデーカップ体３０内の表面に衝突すると，二次電子が発生する。二次電子はファラデーカップ体３０内の表面に衝突し，三次電子を発生させる。ファラデーカップ体３０からの，二次および三次電子の逃げにより，測定にエラーが生じる。ファラデーシステム２０からの電子の逃げ易さは，ある程度，入口開口４４の幅の，チェンバー３２の奥行きに対する比に依存する。特に，電子が入口開口を通過するよりも側壁に入射することから，電子はファラデーカップの比較的奥から逃げるということはそれほどでもない。逆に，ファラデーカップからの電子の逃げは，比較的浅いチェンバーの場合に比較的容易となる。この問題を緩和するために，チェンバーの奥行きの，入口開口の幅の比が大きくなるようにファラデーカップを構成することが知られている。残念ながら，多くのイオン注入器には空間が非常に限定されている。したがって，入口開口の幅がより大きなイオンビームを収容できるように広くなるにつれて，ファラデーカップの奥行きを対応して増加させることは実際上できない。一例として，入口開口４４は２．０１０インチ×２．３８５インチ（５．１０５ｃｍ×６．０５８ｃｍ）で，チェンバー３２の奥行きＤは２．３７３インチ（６．０２７ｃｍ）である。比較的大きな直径のイオンビームの測定の条件，およびイオン注入器における限定された空間から，チェンバーの奥行きの，入口開口の幅に対する比は２．０以下に決定され，多くの場合はチェンバーの奥行きの，入口開口の幅に対する比は１．０以下に決定される。
【００２６】
比較的小さなチェンバーの奥行きの，入口開口の幅に対する比をもつファラデーカップから，二次および三次電子が逃げることを防止するために，抑制電極５０および磁石組立体５４を利用することができる。抑制電極５０は入口開口４４の近傍に配置され，チェンバー３２からの電子の逃げを防止するために，電場を形成する。磁石組立体５４はチェンバー３２からの電子の逃げを防止するためにチェンバー３２内に磁場を形成する。
【００２７】
一実施例において，抑制電極５０は入口開口４４より僅かに大きな開口５２をもち，その開口５２の縁へとテーパーが付けられたリングとして形成される。抑制電極５０はチェンバー３２からの電子の逃げを防止するための電場を生成するように形状付けられる。抑制電極５０は二次および三次電極による衝突に対し小さな領域を形成する形状をもち，これにより抑制電極５０からの，さらなる電子の発生が制限される。好適に，抑制電極５０は，抑制電源７４により，約−２００ボルトから−１０００ボルトの範囲の電圧でバイアスされる。
【００２８】
図１の実施例において，磁石組立体５４はハウジング４０の両側に取り付けられた第一の磁石５６および第二の磁石５８を含む。磁石組立体５４は好適に，第一の磁石５６および第二の磁石５８の反対の極がチェンバー３２に面するように，構成されている。磁石５６および５８により形成される磁場はさらに，チェンバー３２からの二次および三次電子の逃げを防止する。好適な実施例において，磁石５６および５８は５００ガウスより大きなオーダの磁場を形成する。磁石組立体５４の異なる構成も本発明において利用できることは理解されよう。磁場の強度および磁石組立体５４の位置は二次および三次電子の抑制の程度に依存する。
【００２９】
ファラデーシステム２０の実施の例が図３Ａ−図３Ｅに示されている。図１と図３Ａ−図３Ｂについて同様の要素には同じ符号が付されている。磁石５６および５８はそれぞれ，カバー１１２および１１４により覆われている。取り付けブラケット１２０により，ファラデーシステム２０がイオン注入器の構造に取り付けられている。図３Ｅに示されているように，正面プレート４２の入口開口４４の縁は内側に傾斜し，抑制電極５０の開口５２の縁も内側に傾斜している。
【００３０】
特定の例では，ファラデーカップ体３０は，幅が２．０９０インチ（５．３０８１ｃｍ），長さが２．４６５インチ（６．２６１ｃｍ），奥行きが１．６１０インチ（４．０８９ｃｍ）である。入口開口は幅が２．０１０インチ（５．１０５ｃｍ），長さが２．３８５インチ（６．０６８ｃｍ）である。抑制電極５０は傾斜した縁をもち，ファラデーカップ体３０に対して−５００ボルトのバイアスがかけられている。抑止電極５０の開口は，幅が２．０９０インチ（５．３０８ｃｍ），花長さが２．４６５インチ（６．２６１４ｃｍ）である。磁石５６および５８は永久磁石で，ハウジング４０の両側に設けられている。これらのパラメータは例示であり，本発明の範囲を制限するものではない。
【００３１】
本発明の他の態様にしたがい，入口開口４４を通る電子の逃げはファラデーカップ体３０の一つ以上の内面に複数の穴をもつことで，防止できる。図２に示されているように，ファラデーカップ体３０の端部壁３０ａが入口開口４４に向いた，複数の穴８０を有する。穴８０は二次電子の逃げを防止する幅および奥行きをもつ。特に，穴８０の端部で生じた二次電子が穴８０から逃げる確率は，平坦な面からの二次電子の放出と比較して，減少する。穴８０の寸法は，二次電子放出を抑制するように選択される。穴８０は丸状も，正方形でも，長方形でも，伸長した形などでもよい。穴は二次元配列，すなわち格子状となった，規則正しいパターンに配置されてもよく，またランダムになってもよい。一実施例において，穴８０は，幅が０．２５インチ（０．６４ｃｍ），奥行きが０．２５インチ（０．６４ｃｍ）である。他の実施例において，上記の寸法をもつ穴，または開口部をもつ格子がファラデーカップ体３０の端部壁３０ａに取り付けられている。格子の穴はたとえば，１ｍｍ間隔となっている。
【００３２】
本発明の他の態様にしたがい，入口開口４４を通る電子の逃げは二次および三次電子の発生を抑制することにより防止することができる。特に，ファラデーカップ体３０の内面の全部または一部が比較的二次電子の放出が低い材料でコートされる。たとえば，ファラデーカップ体３０の端部壁３０ａはグラファイトとなったカーボンでコートされてもよい。二次電子の放出が比較的低い他の適当な材料には，限定的ではないが，窒化ホウ素がある。他のアプローチでは，ファラデーカップ体３０は二次電子放出が比較的低い材料で作られる。たとえば，ファラデーカップ体３０はグラファイト製であってもよい。
【００３３】
入口開口４４を通る電子の逃げを防止する数々の技術を説明してきた。これら技術はファラデーカップの形成要因および必要な測定精度に依存して，個別にまたは組み合わせて使用することができる。好適な実施例において，抑制電極５０および磁石組立体５４はイオンのエネルギー範囲にわたって良好な測定精度を達成するために一緒に利用される。
【００３４】
本発明のファラデーシステムはイオン注入器での使用に限定されない。一般に，ファラデーシステムはイオンビーム電流を測定するために，イオンビーム処理システムにおいても使用することができる。
【００３５】
発明の詳細な説明および図面に示めされた好適実施例の変更，修正は，本発明の思想および範囲内でなしうることは分かるであろう，したがって，ここで説明され，図示されたことがらは限定的なものではない。本発明は特許請求の範囲およびこの均等物において画成され，制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は，本発明の実施例にしたがった，ファラデーシステムを組み込んだイオン注入器の略示ブロック図である。
【図２】
図２は，本発明の他の実施例にしたがった，ファラデーカップの端部壁の部分断面図である。
【図３】
図３Ａは，本発明の実施例にしたがった，ファラデーシステムの正面図である。
図３Ｂは，図３Ａの線３Ｂ−３Ｂにそった，ファラデーシステムの断面図である。
図３Ｃは，図３Ａに線３Ｃ−３Ｃにそった，ファラデーシステムの断面図である。
図３Ｄは，図３Ａに線３Ｄ−３Ｄにそった，ファラデーシステムの断面図である。
図３Ｅは，入口開口および抑制電極の拡大断面図である。

Claims (17)

1. イオンビーム処理システムに使用するファラデーシステムであって，
   イオンビームを受け入れるための入口開口をもつチェンバーを画成するファラデーカップと，
   前記チェンバーからの電子の逃げを防止するための電場を発生させるために，入口開口の近傍に配置される抑制電極と，
   前記チェンバーからの電子の逃げを防止するための磁場を発生させるために配置される磁石組立体と，
   を含むファラデーシステム。
2. チェンバーの奥行きの，入口開口の幅に対するアスペクト比が２．０より小さい，請求項１に記載のファラデーシステム。
3. チェンバーの奥行きの，入口開口の幅に対するアスペクト比が１．０より小さい，請求項１に記載のファラデーシステム。
4. 前記磁石組立体は，前記ファラデーカップ体の両側に配置される第一および第二の磁石を含む，請求項１に記載のファラデーシステム。
5. 前記抑制電極は，前記入口開口のまわりに配置される抑制リングからなる，請求項１に記載のファラデーシステム。
6. 前記抑制電極を，前記ファラデーカップ体に対して抑制電圧でバイアスするための抑制電源を含む，請求項１に記載のファラデーシステム。
7. 前記抑制リングは，前記入口開口よりも大きな開口をもつ，請求項５に記載のファラデーシステム。
8. 前記抑制リングは開口を有し，前記抑制リングは前記抑制リングの開口にむかって傾斜する，請求項５に記載のファラデーシステム。
9. 前記ファラデーカップ体の内面の全体または一部が，二次電子の放出が比較的小さな材料でコートされる，請求項１に記載のファラデーシステム。
10. 前記ファラデーカップ体の内面の全体または一部が，カーボンコーティングされる，請求項１に記載のファラデーシステム。
11. 前記ファラデーカップ体はグラファイトで作られる，請求項１に記載のファラデーシステム。
12. 前記ファラデーカップ体は前記入口開口に向いた複数の穴を含む，請求項１に記載のファラデーシステム。
13. 前記ファラデーカップ体を覆うハウジングをさらに含み，
    前記ハウジングは前記チェンバーの入口開口を画成する開口部を有する正面プレートを含む，請求項１に記載のファラデーシステム。
14. イオンビーム処理システムに使用するファラデーシステムであって，
    開放側面を有するチェンバーを画成するファラデーカップと，
    前記チェンバーの入口開口を画成する開口部をもつ，前記開放側面の前に位置するプレートと，
    を含み，
    チェンバーの奥行きの，入口開口の幅に対するアスペクト比が１．０より小さい，ところのファラデーシステム。
15. イオンビーム処理システムに使用するファラデーシステムであって，
    開放側面を有するチェンバーを画成するファラデーカップと，
    前記チェンバーの入口開口を画成する開口部をもつ，前記開放側面の前に位置するプレートと，
    を含み，
    前記ファラデーカップ体の内面の少なくとも一部が前記チェンバーに向いた複数の穴を含む，ところのファラデーシステム。
16. 前記複数の穴は，前記入口開口に向いた，前記ファラデーカップ体の端部壁上にあるパターンをもつ穴を含む，請求項１５に記載のファラデーシステム。
17. イオンビーム処理システムにおいて，イオン電流を測定する方法であって，
    イオンビームを受け入れるための入口開口をもつチェンバーを画成するファラデーカップを用意する工程と，
    前記チェンバーからの電子の逃げを防止するための電場を発生させるために，入口開口の近傍に抑制電極を配置する工程と，
    前記チェンバーからの電子の逃げを防止するための磁場を発生させるために，磁石組立体を配置する工程と，
    を含む方法。

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